柴油机因热循环效率高、燃油经济性好、CO2排放量低而倍受重视。但柴油机尾气中碳烟和NOx造成的环境污染问题也日益突出。由于柴油机机内NOx与碳烟控制存在所谓的trade-off关系，仅通过改进发动机降低NOx和碳烟排放有一定的局限性。利用柴油机尾气中的碳烟还原NOx为N2、同时自身被氧化为CO2，是较理想的同时去除NOx和碳烟的后处理技术。而研究NOx和碳烟微观反应机理，则有助于揭示催化剂催化NOx和碳烟反应的本质，发现催化剂表面反应过程中促进和制约NOx还原、碳烟燃烧的因素，对发展NOx和碳烟互为氧化还原技术有指导意义。 本文将BaAl2O4用于催化NOx和碳烟反应的研究，利用程序升温反应(TPR)技术评价了该催化剂在不同反应条件下催化同时去除碳烟和NOx的活性。采用漫反射红外光谱和拉曼光谱，详细地研究了BaAl2O4催化碳烟和NOx反应的微观机理。具体工作如下： (1)制备了La0.8K0.2MnO3和BaAl2O4催化剂，采用XRD、FT-IR、SEM等对制备的催化剂进行物理性能表征。利用TPR技术综合评价和比较了La0.8K0.2MnO3和BaAl2O4的催化性能。结果表明，这两种催化剂催化碳烟和NOx的反应均具有较高的活性，与非催化反应相比，碳烟的起燃温度和最大燃烧温度分别降低了175℃和240℃以上，NOx转化为N2的效率有了很大提高。 (2)分析了各种反应条件对催化同时去除碳烟和NOx反应的影响。研究发现，反应气体的空速越低、碳烟和催化剂的质量比越高，越有利于催化反应进行；O2的存在能促进碳烟和NOx的催化反应，当模拟尾气中O2含量由2％增加为5％时，碳烟的起燃温度和最大燃烧温度分别由330℃和405℃降低了大约30℃，在BaAl2O4催化作用下，NOx转化为N2和N2O的效率分别由10.2％和3.5％升至12.1％和3.9％，在La0.8K0.2MnO3催化作用下，由14.52％和6.63％降至11.02％和4.93％。 (3)采用漫反射红外光谱，用NH3作为探针分子，分析了BaAl2O4表面的酸性中心，发现BaAl2O4表面同时存在质子酸(Br(o)nsted酸)和非质子酸(Lewis酸)。分析了不同反应条件下NO、NO2和O2在BaAl2O4表面的动态行为以及它们之间的相互作用。研究表明，NO主要以线性和桥位亚硝酸盐的形态吸附在催化剂表面；除了形成亚硝酸盐外，NO2在催化剂表面还直接形成了单齿硝酸盐、桥位硝酸盐和离子硝酸盐；生成的亚硝酸盐将继续与催化剂表面的吸附氧(O-surf和O2-lattice)或O2反应生成硝酸盐物种，其中O-surf的氧化能力最强。研究发现，O2除了将NO氧化为NO2外，另外一个重要作用是将亚硝酸盐氧化为硝酸盐，O2的浓度越高越有利于硝酸盐物种形成；高温也有利于形成硝酸盐物种，350℃时(碳烟和NOx以较快速度反应)，硝酸盐物种的形成与吸附时间关系不大。 (4)利用拉曼光谱(LRS)分析了碳烟与NO、NO2及O2的反应。发现碳烟用O2或NOx处理后，因与这些气体反应生成C(O)中间体，其非晶质碳渣和Sp2碳结构被破坏。研究证明，高温有利于NOx、O2等与碳烟反应，相同温度下反应活性以NO+O2>O2>NO的顺序递减。 (5)采用漫反射红外光谱原位分析了碳烟和NOx在催化剂：BaAl2O4表面的详细反应过程。研究表明，催化剂表面的硝酸盐物种因具有较强的氧化能力，优先与碳烟的部分氧化产物(C(O))发生氧化还原反应，生成的最终产物CO2、N2和N2O从催化剂表面脱附，催化剂获得再生；硝酸盐物种与C(O)中间体的反应在催化同时去除碳烟和NOx的过程中起主要作用，是碳烟和NOx反应的速控步骤，与程序升温反应结果及NOx在催化剂表面动态行为的分析结果相符。研究发现，N2O具有一定的氧化能力，高温下生成的N2O还没有来得及被红外光谱检测到，就已和C(O)反应了。催化剂表面生成硝酸盐物种浓度的多少直接关系到NOx转化为N2的效率，这与催化剂吸附NOx后生成硝酸盐物种的能力有关。 (6)利用密度泛函理论(DFT)构建并优化了BaAl2O4、C(O)中间体、NOx在催化剂表面反应的中间产物及反应气体分子模型，利用推广的休克尔分子轨道法(EHMO)计算了各模型的分子轨道。结合分子轨道理论，比较分析了最高占据分子轨道和最低未占分子轨道的能级。结果表明催化剂表面O-surf的活性比O2-lattice强，其表面的亚硝酸盐物种被吸附氧(O-surf、O2-lattice)或O2氧化为硝酸盐物种。